Gases. Teoría cinética - Educastur Hospedaje Web

TEORÍA CINÉTICA DE LA MATERIA.
ESCALA ABSOLUTA DE TEMPERATURAS.
LEYES DE LOS GASES
IES La Magdalena.
Avilés. Asturias
Para poder explicar (ver preguntas) y entender el comportamiento de la materia existe un modelo teórico que se basa en los siguientes postulados:
 La materia está formada por pequeñas partículas (átomos, moléculas…)
 Entre las partículas que forman la materia no existe nada. Hay vacío.
 Existen unas fuerzas atractivas que tienden a juntar las partículas.
 Las partículas que forma un sistema material no están quietas, se mueven. La energía
que poseen es proporcional a la temperatura. Esto es, si la temperatura es baja su movimiento será lento. Si la temperatura asciende se mueven más rápidamente.
¿Cuál es la diferencia entre un sólido, un líquido o un gas?
En un sólido las fuerzas entre las partículas que lo forman
son muy grandes, por eso están muy juntas formando estructuras ordenadas. Aún en los sólidos las partículas no están
quietas, tienen un movimiento de vibración.
En un gas las fuerzas de atracción entre las partículas, aunque existen, son muy débiles. Por tanto, se mueven en todas
direcciones chocando continuamente unas con otras y contra
las paredes del recipiente que las contiene. Existe una gran
separación entre las partículas, grandes espacios vacíos.
En un líquido la situación es intermedia. Las fuerzas entre
partículas no son tan grandes como en los sólidos, ni tan débiles como en los gases. Las partículas están más separadas
que en los sólidos, pero mucho menos que en los gases.
¿Qué ocurre cuando calentamos una sustancia?
Cuando calentamos damos energía. Esta
energía es transferida a las partículas que
forman la materia lo que motiva que se muevan con mayor velocidad.
Si por el contrario enfriamos, quitamos energía a
las partículas que se moverán ahora más lentamente.
El que una sustancia esté en un estado u otro
depende de que las fuerzas que tienden a juntar
las partículas sean capaces de contrarrestar la
tendencia a separarse, que será tanto mayor
cuanto mayor sea su energía. Si bajamos la temperatura, las partículas se moverán más lentamente y las fuerzas atractivas serán capaces de
mantenerlas más juntas (el gas se transforma en
líquido y si seguimos enfriando en sólido).
Si tenemos un sólido y lo calentamos el movimiento de vibración irá aumentando hasta que la
energía sea suficiente para superar las fuerzas
que las mantienen en sus posiciones. El sólido
funde y se transforma en un líquido. Si seguimos
calentando pasará a gas.
¿Por qué, generalmente, los
sólidos tienen densidades elevadas mientras que los gases
tienen una densidad baja y los
líquidos presentan valores intermedios?
Si nos fijamos en la explicación anterior comprenderemos
que en los sólidos la materia
(partículas) tiende a estar muy
junta. La masa por unidad de
volumen será grande.
En los gases, al ser muy
grande la separación entre las
partículas, tendremos densidades pequeñas (poca masa
por unidad de volumen) y en
los líquidos la situación será
intermedia.
¿Por qué los gases ejercen presión
sobre las paredes de los recipientes?
¿Por qué la presión aumenta si metemos más gas o elevamos su temperatura?
Según la teoría cinética, la presión de un gas es debida a los
continuos choques de las partículas que lo forman contra las paredes del recipiente. Así entendemos que si metemos más gas en el
recipiente la presión aumenta (más
choques) y si sacamos gas la presión disminuye (menos choques).
Si elevamos la temperatura, las partículas se moverán más rápidamente, lo que provocará un aumento de
los choques. Si enfriamos, se moverán más lentamente, menos choques.
1
F y Q 3 º ESO. IES La Magdalena. Avilés. Asturias
Teoría cinética. Gases
La teoría cinética de la materia brinda la posibilidad de establecer una escala de temperaturas
cuyo cero no sea arbitrario (como en el caso de la escala centígrada, por ejemplo). El razonamiento
sería el siguiente:
Si la temperatura de una sustancia es proporcional a la energía de sus partículas (átomos, moléculas…)
el cero de temperaturas debería fijarse allí donde las partículas no tuvieran energía. Esto es, cuando estuvieran totalmente quietas.
Este es el criterio para fijar el cero de la escala absoluta de temperaturas, cuya unidad es el kelvin (K).
El cero de la escala absoluta se corresponde con – 273 0C (más exactamente - 273,15 0C).
Nota: La física cuántica demuestra que ni en el cero absoluto la energía de las partículas puede ser cero.
Para transformar grados centígrados en kelvin o
viceversa se puede usar la siguiente ecuación:
Escala absoluta
Escala centígrada
K = 273 + C
Según lo dicho los puntos de fusión y ebullición del
agua a presión normal se corresponden con 273 K y
373 K, respectivamente.
Ejemplos.
373 K
100 0C
273 K
0 0C
¿Cuál es la temperatura absoluta de una habitación
que está a 20 0C?
K = 273+ C = 273 + 20 = 293 K
¿Cuál será la temperatura en grados centígrados correspondiente a 120 K?
0K
-273 0C
K = 273 + C ; C = K – 273 = 120 – 273 = -153 0C
LEYES DE LOS GASES
La teoría cinética de la materia permite justificar el comportamiento de los gases. Por ejemplo (ver más
arriba) la presión (P) de un gas depende de la cantidad de gas (n), del volumen del recipiente (V) y de
la temperatura (T):
P = f (n, V, T)
Podemos investigar cómo influye cada una de las variables (n, V y T) en la presión ejercida por el gas
procediendo de la siguiente manera:
 ¿Cómo saber la influencia de la cantidad de gas presente? Mantenemos invariables el volumen y la
temperatura y vamos variando la cantidad de gas.
 ¿Cómo determinar la influencia del volumen del recipiente? Mantenemos invariables la cantidad de
gas y la temperatura y vamos variando el volumen.
 ¿Cómo determinar la influencia de la temperatura? Mantenemos invariables la cantidad de gas y el
volumen y vamos variando la temperatura.
2
F y Q 3 º ESO. IES La Magdalena. Avilés. Asturias
Teoría cinética. Gases
1. Relación entre presión y cantidad de gas. Se mantienen invariables V y T
 ¿Cómo hacerlo?
 Bloquear el émbolo para que no pueda subir ni bajar, así aseguraremos que el volumen
permanece invariable.
 No calentar ni enfriar. T se mantiene invariable.
 Bombear gas al interior del recipiente.
La presión aumenta
Tornillo que fija
el émbolo
Manómetro
(mide la presión)
Gas
Llave
(abierta)
Llave
(cerrada)
Al introducir más gas la presión aumentará, ya que como aumentan el número de moléculas de
gas los choques contra las paredes serán más frecuentes.
Tomando datos de presión y cantidad de gas, llegaríamos a la conclusión de que la presión y la
cantidad de gas son directamente proporcionales.
Ejemplo: La presión de un balón de fútbol (V =cte) aumenta cuando introducimos aire mediante
una bomba.
2. Relación entre presión y temperatura. Se mantienen invariables la cantidad de gas y el volumen.
Procesos a volumen constante. Procesos ISOCOROS
 ¿Cómo hacerlo?
 Bloquear el émbolo para que no pueda subir ni bajar, así aseguraremos que el volumen
permanece invariable.
 Calentar o enfriar para variar T.
 Observar lo que indica el manómetro
Al calentar aumenta la presión
Manómetro
Termómetro
T1 , P1
T2 , P2
Al calentar las moléculas del gas se moverán más rápido. En consecuencia, los impactos contra
las paredes serán más violentos y frecuentes con lo que aumentará la presión.
3
F y Q 3 º ESO. IES La Magdalena. Avilés. Asturias
Teoría cinética. Gases
Ejemplo: Un neumático tiene mayor presión en su interior cuando el automóvil ha rodado varios kilómetros y su temperatura aumenta debido al rozamiento con la carretera.
Un estudio más cuidadoso nos mostraría que "en un proceso a volumen constante, la presión y
la temperatura absoluta (en kelvin) son directamente proporcionales. Ley de Gay-Lussac
T1
 cte
P1
T1 T2

P1 P2
Louis J. Gay-Lussac
(1778-1850)
Ejemplo 1
En un recipiente de 10,0 litros se introduce determinada cantidad de gas. La temperatura es de 20 0C y la
presión de 1,00 atm. ¿Cuál será la presión si la temperatura se eleva hasta 80 0C?
Solución:
Es un proceso en el que permanece constante la cantidad de gas y el volumen. Proceso isocoro. En estas
condiciones P y T son directamente proporcionales:
T1 T2

P1 P2
Los datos que tenemos son:
T1 = 273 + 20 = 293 K; P1 = 1,0 atm
T2 = 273 + 80 = 353 K ; ¿P2?
Despejamos P2 y sustituimos los datos:
P2 
P1 T2 1atm.353 K

 1,20 atm.
T1
293 K
4
F y Q 3 º ESO. IES La Magdalena. Avilés. Asturias
Teoría cinética. Gases
3. Relación entre presión y volumen. Se mantienen invariables la cantidad de gas y la temperatura.
Procesos a temperatura constante. Procesos ISOTERMOS
 ¿Cómo hacerlo?
 No calentar ni enfriar para que T se mantenga constante.
 Aumentar (o disminuir) la presión actuando sobre el émbolo.
 Observar el volumen ocupado por el gas.
Al aumentar la presión ,
empujando el émbolo
hacia abajo, disminuye
el volumen.
P1 , V1
P2 , V2
Al disminuir el volumen las moléculas tienen menos espacio disponible y chocarán más frecuentemente contra las paredes del recipiente lo que provocará un aumento de la presión.
Ejemplo: Cojamos una jeringuilla y tapemos para que no pueda salir gas. Si ahora aumentamos la
presión sobre el émbolo el gas se comprime disminuyendo su volumen.
Estudiando datos de presión y volumen llegaríamos a la conclusión de que "en un proceso a temperatura constante, presión y volumen son inversamente proporcionales". Ley de Boyle- Mariotte
P V  cte
P1 V1  P2 V2
Robert Boyle Edme Mariotte
(1627-1691)
(1620-1684)
5
F y Q 3 º ESO. IES La Magdalena. Avilés. Asturias
Teoría cinética. Gases
Ejemplo 2.
En un recipiente dotado de un émbolo se introduce determinada cantidad de gas. La presión es de 1,30 atm
y el volumen ocupado 5,3 litros. ¿Qué volumen ocupará el gas si la presión se disminuye hasta 1,00 atm?
Nota: la temperatura permanece invariable durante el proceso.
Solución:
Es un proceso en el que permanece constante la cantidad de gas y la temperatura. Proceso isotermo. En
estas condiciones P y V son inversamente proporcionales:
P1 V1  P2 V2
Los datos que tenemos son:
P1 = 1,30 atm K; V1 = 5,3 L
P2 = 1,00 atm. ¿V2?
Despejamos V2 y sustituimos los datos:
P2 
P1 V1 1,3 atm.5,3 L

 6,9 L.
P2
1,0 atm
4. Relación entre temperatura y volumen. Se mantienen invariables la cantidad de gas y la presión.
Procesos a presión constante. Procesos ISOBAROS
 ¿Cómo hacerlo?
 Dejar el émbolo libre para que la presión no varíe.
 Calentar o enfriar para variar T.
 Observar el volumen ocupado por el gas.
Al calentar el gas empuja
el émbolo hacia arriba. El
volumen aumenta.
T1 , V1
T1 , V1
Al calentar las moléculas se mueven más rápido, lo que provocará un aumento inicial de presión,
pero como el émbolo es móvil es empujado hacia arriba, produciéndose un aumento del volumen. Al
aumentar el volumen disminuye la presión compensando el aumento inicial. La presión, al final,
permanecerá invariable.
Ejemplo: Si calentamos un recipiente dotado de un émbolo y con gas en su interior, el émbolo asciende evidenciando el aumento de volumen que se produce.
Tomando datos de temperatura y volumen llegaríamos a la conclusión de que "en un proceso a
presión constante, temperatura y volumen son directamente proporcionales". Ley de Charles
T
 cte
V
T1 T2

V1 V2
Jacques Charles
(1746-1823)
6
F y Q 3 º ESO. IES La Magdalena. Avilés. Asturias
Teoría cinética. Gases
Ejemplo 3
En un recipiente dotado de un émbolo móvil se introduce determinada cantidad de gas. La presión es de
1,00 atm, la temperatura 18 0C y el volumen ocupado 250 mL. ¿Qué ocurrirá si se calienta hasta 90 0C?
Solución:
Si el émbolo permanece libre, el calentamiento del gas producirá un aumento del volumen y la presión permanecerá invariable. Proceso isobaro. En estas condiciones V y T son directamente proporcionales:
T1 T2

V1 V2
Los datos que tenemos son:
P = 1,00 atm. Permanecerá invariable
T1 = 273+ 18= 291 K; V1 = 250 mL= 0,25 L
T2 = 273+ 90= 363 K; ¿V2?
Despejamos V2 y sustituimos los datos:
V2 
T2 V1 363 K . 250 mL

 312 ml  0,312 L
T1
291K
7